JP2006526769A - 構成部材の表面に形成された成層の同定およびその特性の測定のための装置および方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、構成部材または対象物（２）の表面に形成された成層（３；１４）の同定およびその成層（３；１４）の化学特性および表面属性の測定のための装置に関する。【解決手段】構成部材表面上の被検成層（３；１４）を照明するための光源（４）および光源（４）を成層（３；１４）の被検表面（３′）に通して入射スリット（７）に結像させるための手段が含まれる。入射スリット（７）の光線は格子（１０）に通して２次元の検出ユニット（８）上に結像させる。検出ユニット（８）と電気的に結合している評価ユニット（１１）は、検出ユニット（８）の露光検出素子（９）から供給される信号の評価および加工に使用される。

Description

本発明は構成部材の表面に形成された成層の同定およびその成層、それも主として乗り物構成部材の表面に形成された、特に水、氷、汚れから成る層の特性測定のための装置に関する。その場合、なかでも成層の化学特性および表面属性、特にラフネス度の測定を目的とする。

そのような乗り物構成部の表面に形成される被覆層の同定およびその特性の測定には、殆どの場合これらの成層に光線を照射または透射し、これらの成層から反射または透過した光線を様々なスペクトル領域で測定し評価する。この測定から成層の存在を結論づけることができ、そのような成層が存在する場合、その特性、特にその化学特性を測定することができる。
ＤＥ １９９ ２７ ０１５ Ａ１ ＦＲ ２ ８１０ ７３２ Ａ１

乗り物構成部の表面状態を測定するには様々な方法および装置がある。

ＤＥ １９９ ２７ ０１５ Ａ１から、飛行機の構成部に形成された氷層の厚さおよび成長速度を測定するための方法および装置が公知になっている。それによれば、構成部表面の成層に当った光線が光電ライン受信器と結合するホログラフィック格子により各波長領域に分解され、ライン受信器で測定される。その結果は、保存データとしての被覆層のない構成部表面の反射曲線と比較される。時間シフトした複数回の測定により、そのような成層の成長速度を測定することもできる。

測定実施のための装置は、窓を有していて、成層表面の影響を受けた光線がそこから中に入り、光学結像システムおよび完全に照明された入射スリットを通って格子に達し、そこで波長別に分解されてその格子がライン受信器に結像する。ライン受信器の素子信号はライン受信器と結合する制御、評価ユニットによって評価される。測定結果は表示装置によって表示される。

しかしこの方法では、事実として、これら成層のメカニカルな現象形態が区別し得ないという欠点がある。測定されるのは全体の厚さまたは濃縮度だけである。特に氷、雪または霧氷の各層は、分光的には全く、あるいは非常に高いコストをかけないと区別できない。したがって、成層のラフネス度は測定不可能である。

ＦＲ ２ ８１０ ７３２ Ａ１からは、２次元検出器付きの分光計が公知である。２次元検出器の場合、分光計の分散方向に垂直な方向に配置され、同一波長ごとに割り当てられた複数の検出素子の信号が加算される。検出素子としてはＣＣＤ素子またはＣＭＯＳ素子が配備される。

本発明では上記の状況を踏まえて、構成部材上に形成される成層の同定およびその特性の測定のための装置および方法、それもこの種成層の厚さおよび化学組成ばかりか表面構造もあまりコストの必要としない検出器により簡単に測定し得る装置および方法を創出することを基本課題においている。

この課題は、本発明によれば、請求項１の手段を持つ装置によって解決される。本発明に基づく装置のその他実施態様および詳細は従属請求項から読み取ることができる。

検出装置はマトリックス状に配置された検出素子から成っていれば有利である。これにはＣＣＤ素子またはＣＭＯＳ素子が有用である。

本発明に基づく装置、したがってまたそれによる方法の特徴は、説明した現状技術とは全く異なっていて、なかでも、入射スリットが成層から、特にその表面から散乱または反射した光によって完全には照明されないところにある。仮に当該構成部上に平滑表面を持つ成層がない場合、あるいはそれが１つの場合では、入射スリットの比較的小さな部分しか照明されない。結像格子を通過したスリットが２次元分解能を持つ平面的検出装置上へ結像することにより、細いストライプ形態のスペクトルが生成される。

被検成層がラフな表面の場合、もはや指向性なく反射または散乱した光は、表面ラフネス度の程度に応じて、結像格子を通して２次元分解性検出装置に結像する入射スリット照明領域の面積が多少とも拡大する。そこには幅広なストライプ形態のスペクトルが生成される。平面的配置の検出素子から供給される信号を基に、評価装置などの使用により被検成層のラフネス度が測定される。

構成部表面上に形成される成層の同定およびその成層の特性と表面属性の測定のための方法では、請求項１に記載された装置の使用下で次の操作過程が実施される。
・ 構成部表面上に形成された被検成層に対する光源による照明。
・ 光線反射性および／または散乱性の被検成層表面を通る経路での照明光源の入射スリット上への照明。
・ 露光された入射スリットの結像格子を通しての、マトリックス状に配置された検出素子から成る検出ユニットへの波長別結像。ただし、成層表面の属性またはラフネス度に依存して、検出ユニット上多少とも広い面領域が照射されるようにする。
・ 検出ユニットにおける露光検出素子の信号評価および被検成層の特性を示す測定値の算定および表示。

照明光源のスリット上へのこの結像により、成層表面の属性次第では当スリット上で多少とも広い（大きな）部分が照明される。入射スリット照明部分の波長別結像は、特に結像作用性のいわゆるホログラフィック格子を通して検出ユニットの検出素子上になされる。ただし、被検成層表面のラフネス度に応じて検出ユニットの面領域において多少とも広い範囲が照射されるようにする。ホログラフィック格子は、成層の影響を受けた光のスペクトル分解も行う。露光された検出素子における信号の評価および被検成層の特性を示す測定値の算定および表示は評価ユニットで行われる。

この場合被検対象物の如何によっては、成層の照明は、有利なことに、透過光または落射光でも行うことができる。

そのほか、検出ユニットの露光領域幅から成層表面のラフネス度に対する測定値が求められるとすればそれも有利になる。スペクトル分布からは、例えば成層の化学組成を特定することができる。

以下では本発明を実施例に基づきより詳細に説明する。

図１に描かれた、成層同定および対象物および乗り物構成部材の表面に形成された、特に水、氷、汚れから成る層の表面特性測定のための装置は、基本的には分光計である。この装置は、ケーシング１を有しており、その中には透明または非透明の物体または対象物２、例えば自動車フロントガラスまたは窓ガラスの上に形成された成層３を照明するための、光線を発する光源４および光源４を被検成層３経由の経路で多少とも大きな入射スリット７の区分領域６に結像させる、有利なことに、複数の分離型光学素子５′および５″から成る結像光学系が配置されている。

実際には殆どの場合で起こることだが、成層３と装置間の距離が変化すれば、光源４をテレセントリック光路内に配置された複数の光学素子５′および５″により入射スリット７に結像させる必要がある。そうでないと、距離の変化、したがってまた結像鮮鋭度の変化が成層３のラフネス度を見誤らすことになる。図１および２に基づく装置では光源４は光学素子５′によってコリメートされる。すなわち、無限大において結像する。もう１つの光学素子５″は光路を入射スリット７へフォーカシングさせる。光学素子５′および５″としてはレンズ、ミラーのいずれを配備することもできる。

入射スリット７をマトリックス状に配置された検出素子９、例えばＣＣＤ素子またはＣＭＯＳ素子で構成されている平面的検出ユニット８へ結像させるために、結像格子１０、例えばホログラフテック格子が同様にケーシング１内に配置されている。検出ユニット８は、個別の各検出素子９の信号が評価ユニット１１の中で加工および改良できるように、評価ユニット１１と結合している。

図１から見て取れるように、被検成層３はその支持物体である対象物２を通して照明される。表面３′からの反射光はケーシング１の入射窓１２を通過し、結像光学系５により入射スリット７に結像する。

格子１０を通過して検出ユニット８に到る入射スリット７の結像に対する光源４からの光の影響を確実に回避するため、および測定結果の見誤りを防止するため、ケーシング１内には遮蔽素子１３が配置されている。

図２に簡略図解された装置は、図１の装置と同じ構成素子および構成グループを有している。したがって、同機能を持つ素子にはここでも同じ数字を用いている。図２では対象物２上に存在する成層１４は図示された装置により落射照明されている。表面１４′からの反射光は、図１の装置におけるのと同様、入射スリット７に導かれ、ホログラフィック格子を通って検出ユニット８（図２では簡略化のため図示されていない）に結像する。

図１〜３の装置による成層特性の検出および同定には、光源４からの光を素子５′；５″から成る結像光学系またはレンズ１６（図３）に通し、被検成層３；１４（図２）経由の経路で入射スリット７に結像させる。その場合、光は成層３または１４に対応するそれぞれの表面３′または１４′によって影響される。成層３または１４それぞれの露光表面３′または１４′の属性（ラフネス）に依存して、入射スリット７の部分６だけが、あるいはラフ面である場合部分６の両側の別な領域部分６′；６″も照明される。３′または１４′が平滑表面の場合は入射スリット７の部分６だけが照明される。

スペクトルを得るため、通例どおり、波長λに対応する検出素子９の信号（ピクセル）が加算される。それに加えて、検出ユニット８におけるスペクトル帯の幅およびポジションが、例えば、全検出素子９の分散方向における信号値の加算により算出される。その後、分散方向を横切る方向での重心の幅とポジション（位置）の計算、したがってまた被検成層３または１４の表面３′または１４′のラフネスを示す値の計算が行われる。

当装置およびそれを使用して行う方法により、検出素子９で生成された信号の評価ユニット１１における然るべき評価および改良加工によって成層３′；１４′の組成および厚さの測定が可能であるばかりか、光の散乱または反射における違いを基に成層３または１４の表面３′または１４′のラフネス度をチェックおよび測定することができる。

個々の検出素子９それぞれの初期信号が評価ユニット１１に供給され、次に波長λに対応する信号値の分散方向での加算により、公知の方法に従って成層３′または１４′の化学組成および厚さが求められる。検出素子９における信号値の波長λ方向での、つまり分散方向を横切る方向での加算により、被検成層３または１４に対応する表面３′または１４′のラフネス度についての基準点および測定値が求められる。この合計値の分布が狭いのは、平坦な成層表面を示す特徴であり、合計値の分布が広いのは、ラフ表面を表わす尺度である。

図３は装置のまた別な実施態様を極力簡略化して描いたもので、例えば自動車の透明フロントガラス１７に配置された場合を示している。この場合、明確に区分された被検成層３領域の光源４による照明およびケーシング１内部の入射スリット７（破線描画）への光源４の結像が共通のレンズ１６によって行われる。光源４から発した光線束はフロントガラス１５および成層３を通って成層の表面３′で反射し、レンズ１６を通過して入射スリット７に結像する。結像光路のコリメーションおよびフォーカシングは、ここでは共通レンズ１６によって行われる。光線は入射スリット７を通って結像格子１０に達し、そこから検出ユニット８へと結像する。検出ユニット８から供給されるデータは評価ユニット１１に送られ、そこで改めて加工される。照明光路による結像光路への影響を防止するために、既に図１および２の説明に関連して述べたように、ここでも同じく遮蔽素子１３が配備されている。

本発明に基づく装置によれば、以上に加えて、被検成層３、つまり本来の測定対象物のポジションも求めることができ、それより検出ユニット８に結像するストライプのポジションおよび状態が求められる。

本発明に基づく装置の概略図である。 成層に対して落射照明した、本発明に基づく装置の概略図である。 透明なガラスに設置した装置である。

符号の説明

１ ケーシング
２ 対象物
３ 成層
３′ 表面
４ 光源
５ 結像光学系
５′、５″ 光学素子
６ 部分
６′、６″ 部分
７ 入射スリット
８ 検出ユニット
９ 検出素子
１０ 格子
１１ 評価ユニット
１２ 入射窓
１３ 遮蔽素子
１４ 成層
１５ フロントガラス
１６ レンズ

Claims (6)

1. 構成部材の表面に形成された成層の同定のための、およびその成層の化学特性および表面属性の測定のための装置であって、
   構成部材表面上の被検成層（３；１４）を照明するための光源（４）、
   光源（４）を成層（３；１４）の被検成層表面（３′）に通して入射スリット（７）に結像させるための手段、
   入射スリット（７）の光線を波長別に２次元検出ユニット（８）上に結像させる格子（１０）、および
   検出ユニット（８）と電気的に結合していて、検出ユニット（８）の露光検出素子（９）から供給される信号の評価および加工に使用される評価ユニット（１１）
   を有する装置。
2. 検出ユニット（８）がマトリックス状に配置された検出素子（９）から成っていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 検出素子（９）がＣＣＤ素子またはＣＭＯＳ素子であることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 請求項１に記載の装置を使用して行う、構成部材表面上に形成された成層の同定のための、およびその成層の化学特性および表面属性の測定のための方法であって、次の操作過程、すなわち
   構成部材表面上に形成された被検成層（３；１４）に対する光源（４）による照明、
   光線反射性および／または散乱性を示す、成層（３；１４）の表面（３′）を通る経路での光源（４）の入射スリット（７）への結像、
   結像格子（１０）による入射スリット（７）光線の、マトリックス状に配置された検出素子（９）から成る２次元検出ユニット（８）上への波長別結像、ただし、成層（３；１４）の表面（３′）の属性またはラフネス度に依存して、検出ユニット（８）上多少とも広い面領域が照射されるようにする、
   露光された検出素子（９）の信号評価および被検成層（３；１４）の特性を示す測定値の算定および表示
   を特徴とする方法。
5. 被検成層（３；１４）に対する照明が透過光または落射光によって行われることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 検出ユニット（８）における露光領域の幅から、被検成層（３；１４）の表面（３′）ラフネス度についての測定値が求められることを特徴とする、請求項４および５に記載の方法。